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封装材料对无铅焊点热机械循环过程中拉伸应力的影响
摘要 电子组件使用各种具有不同机械和热性能的聚合物材料来在恶劣的使用环境中提供保护。然而，机械性能的变化（例如热膨胀系数和弹性模量）会影响材料的选择过程，从而对电子产品的可靠性产生长期影响。通常，主要的可靠性问题是焊点疲劳，这是电子元件中大量故障的原因。因此，在预测可靠性时，有必要了解聚合物封装（涂层、灌封和底部填充）对焊点的影响。研究表明，当焊料中存在拉伸应力时，由于聚合物封装的热膨胀，疲劳寿命会大大缩短。拉伸应力的加入使焊点处于周期性多轴应力状态，这比传统的周期性剪切载荷更具破坏性。为了了解拉伸应力分量对微电子焊点疲劳寿命缩短的影响，有必要将其分离出来。因此，我们构建了一个独特的样本，以使无铅焊点经受波动的拉伸应力条件。本文介绍了热机械拉伸疲劳样本的构造和验证。热循环范围与灌封膨胀特性相匹配，以改变施加在焊点上的拉伸应力的大小。焊点几何形状的设计具有与 BGA 和 QFN 焊点相关的比例因子，同时保持简化的应力状态。进行了 FEA 建模，以观察焊点在热膨胀过程中的应力-应变行为，以适应各种灌封材料的特性。焊点中轴向应力的大小取决于热膨胀系数和模量以及热循环的峰值温度。样本热循环的结果有助于将由于灌封材料的热膨胀而导致焊点经历的拉伸应力的大小与各种膨胀特性相关联，并为封装电子封装中焊点的低周疲劳寿命提供了新的见解。简介大量电子元件故障归因于焊点疲劳故障。航空航天、汽车、工业和消费应用中的许多电子元件都在波动的温度下运行，这使焊点受到热机械疲劳 (TMF) 的影响。电子组件中的焊料疲劳是温度波动和元件与印刷电路板 (PBC) 之间热膨胀系数 (CTE) 不匹配的结果。在温度变化过程中，PCB 和元器件 CTE 的差异会引起材料膨胀差异，从而使焊点承受剪切载荷。为了减少芯片级封装 (CSP) 中焊点所承受的剪切应变，人们使用了各种底部填充材料来限制焊点的变形。芯片级焊料互连（例如倒装芯片封装中的焊料）尤其受益于底部填充材料，因为它可以重新分配热膨胀应力，从而限制施加在焊料凸点上的应变。除了限制剪切应变之外，底部填充材料的膨胀还会导致球栅阵列 (BGA) 焊点产生较大的法向应变。Kwak 等人使用光学显微镜的 2D DIC 技术测量了热循环下焊点的应变 [1]。他们发现，CTE 为 30 ppm/ºC 且玻璃化转变温度 (T g ) 为 80ºC 的底部填充材料在 100ºC 的温度下可以产生 6000 µƐ 的平均法向应变。这些高法向应变并不像 BGA 封装中的剪切应变那样表现出与中性点距离相同的依赖性。法向应变的大小与 CTE、弹性模量 (E)、封装尺寸和温度有着复杂的依赖关系。法向应变的增加使焊点受到剪切应变和轴向应变的组合影响，这反过来又使焊点在温度波动的条件下受到非比例循环载荷。
了解加速温度曲线对无铅焊接的影响 John L. Evans、Julius Martin 和 Charles Mitchell Auburn Univers
了解加速温度曲线对无铅焊接的影响 John L. Evans、Julius Martin 和 Charles Mitchell 奥本大学 阿拉巴马州奥本大学 Bjorn Dahle KIC 热分析 加利福尼亚州圣地亚哥 摘要 由于焊膏供应商定义的峰值温度较高且助焊剂活化时间较长，因此无铅焊接的传统回流曲线通常需要更长的处理时间。当在单个电路设计中集成多种封装类型时，这些曲线变得尤为具有挑战性。在处理具有高热质量的产品设计（例如散热片和金属基板）时，难度会更大。这些设计会在整个电路组件中产生大的热梯度，并进一步增加了寻找“最佳”曲线窗口的复杂性。所有这些问题都导致无铅焊接的回流处理时间显著增加。本文探讨了无铅电子产品大批量生产所需的这些增加的处理时间。并介绍了典型工艺能力和实际生产能力的研究。该研究评估了从小型电路组件（例如手机）到大型电路组件（例如汽车和计算机）的大批量电子产品制造，并研究了一系列“最佳”回流曲线，以加速标准无铅工艺窗口，从而使用自动曲线系统实现目标制造能力。然后，使用这个定义的工艺窗口制造测试载体，并测试其质量（焊料空洞和外观）和焊点可靠性（加速寿命测试）。设计的测试载体包括来自大型物理分布的组件，包括：小型和大型 BGA、QFN 和任何类型的分立元件。在组装过程中，使用虚拟曲线记录工艺曲线窗口的任何偏差。本出版物中提供了质量和可靠性数据，并包括故障分析以确定此建议曲线的能力。采用此曲线策略后，许多制造商可以减少回流无铅电路组件的处理时间，而不会显著降低制造质量或可靠性。此外，本研究为在无铅焊接应用中使用加速曲线速度提供了合理的理解和限制。背景 无铅焊接正在快速发展，与无铅加工相关的制造问题给许多制造商带来了困难。这些困难在过去五年中已得到大量记录，包括基板和元件电镀变化、焊料润湿性和焊点特性的差异以及焊点可靠性变化。5 其中一个更重要的变化是焊接工艺温度的提高，以及这些高温对电子产品质量和加工时间的影响。特别是，焊料（例如 SnAgCu）回流温度的提高，使印刷电路板（具有正常的玻璃化转变温度，T g 为 140 O C-160 OC）暴露在超过 250 O C 的温度下，从而增加了电路板的翘曲。这种变化可能会给产品带来质量问题，尤其是如果进行双面组装加工的话。8,4 回流温度提高的另一个影响是需要延长时间以适应更高的回流温度，同时保持推荐的温度暴露。为了将峰值回流温度从标准共晶 SnPb 焊料的 220 OC - 230 OC 范围提高到 SnAgCu 的 250 OC - 260 OC 范围，推荐的回流曲线时间将显著增加。加工时间的增加将要求制造商降低回流炉的皮带速度或在制造过程中增加炉容量。对于大批量制造商来说，这两种选择都代价高昂。7,9 本研究调查了处理无铅焊接增加的回流温度的替代方法，同时将对许多大批量制造商的财务影响降至最低。本研究重点关注不使用“最佳”回流曲线和保持相同处理窗口对大批量产品的影响。（仅考虑大批量组件，因为降低炉带速度以满足推荐的处理窗口不会对小批量制造商产生重大影响）。本调查重点关注不使用“最佳”回流曲线和保持相同加工窗口对大批量产品的影响。（仅考虑大批量组件，因为降低炉带速度以满足推荐的加工窗口不会对小批量制造商产生重大影响）。本调查重点关注不使用“最佳”回流曲线和保持相同加工窗口对大批量产品的影响。（仅考虑大批量组件，因为降低炉带速度以满足推荐的加工窗口不会对小批量制造商产生重大影响）。
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